;
Кейсы 31 октября 2020

Ученые пытаются понять, сколько живет нейтрон. Почему это так сложно и важно?

Далее

Девять секунд. Вечность в некоторых научных экспериментах; невообразимо малое количество времени в масштабах Вселенной. Именно это время сбивает с толку физиков-ядерщиков, изучающих время жизни нейтрона. Когда физики отделяют нейтроны от ядер атомов, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько их остается там через некоторое время, они делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 минут и 39 секунд. Но когда другие физики генерируют пучки нейтронов и подсчитывают возникающие протоны — частицы, на которые распадаются свободные нейтроны, — они определяют среднее время жизни нейтрона на уровне 14 минут 48 секунд. Расхождение между измерениями «бутылки» и «пучка» сохраняется с тех пор, как оба метода измерения долговечности нейтрона начали давать результаты в 1990-х годах. Сначала все измерения были настолько неточными, что это никого не волновало. Однако постепенно оба метода улучшились, но данные все еще расходятся. Рассказываем, как ученые ломают голову над тем, сколько на самом деле живет нейтрон, почему это время так важно, а найти ответ — до сих пор сложно.

Загадка жизни нейтрона

Нейтрон является одним из строительных блоков материи. Само название подсказывает, что эта тяжелая частица — нейтральный аналог элементарной частицы, положительно заряженного протона. Как и многие другие субатомные частицы, нейтрон способен недолго находиться вне ядра. В течение примерно 15 минут он распадается на протон, электрон и крошечную частицу — антинейтрино.

Но сколько времени нужно нейтрону, чтобы «развалиться на части», остается загадкой. И вот почему.

Один метод измеряет измерения дает результат в 887,7 секунд, плюс-минус 2,2 секунды.

Результаты другого метода показывают 878,5 секунд, плюс-минус 0,8 секунды.

Вот они, те самые девять секунд, которые сбивают с толку ученых.

Сначала казалось, что это различие связано с чувствительностью измерения. Вполне допустимая теория. Однако ученые продолжают проводить серию все более точных экспериментов, а коварное расхождение все равно остается.

Такое постоянство в разнице данных явно указывает на какой-то неизвестный тип физики, уверены ученые. Это может свидетельствовать о неизвестном до сих пор процессе распада нейтрона. Или столь принципиальное расхождение может указывать на науку, выходящую за рамки стандартной модели, которую в настоящее время используют ученые для объяснения всей физики элементарных частиц. В конце-концов, есть ряд явлений, которые Стандартная модель не объясняет полностью. 

По сути, она не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Однако экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.

И, все же, необходимость расширения модели возникла в 2002 году после обнаружения нейтринных осцилляций. Кстати, именно подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц.

Чтобы разгадать странное несоответствие во времени жизни нейтрона Управление науки Министерства энергетики США (DOE) работает с другими федеральными агентствами, национальными лабораториями и университетами.

Зачем изучать нейтрон?

Физики-ядерщики первыми начали изучать время жизни нейтрона из-за его важной роли в физике. «В природе есть некоторые фундаментальные величины, которые важны всегда», — объясняет Джефф Грин, профессор Университета Теннесси и физик из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики. Он исследовал время жизни нейтрона большую часть своей жизни — около 40 лет. «Теории приходят и уходят, но время жизни нейтрона остается центральным параметром во множестве процессов».

На самом деле нейтрон — полезное руководство для понимания других частиц. Это — простейшая радиоактивная частица, следовательно она регулярно распадается на другие частицы. Таким образом, именно нейтрон дает хорошее представление ученым о слабом взаимодействии. О той самой силе, которая определяет, превращаются ли нейтроны в протоны или нет. Часто этот процесс высвобождает энергию и заставляет ядра распадаться. Процессы слабого взаимодействия также играет важную роль в ядерном синтезе, где два протона соединяются.

Время жизни нейтрона может также дать представление ученым о том, что произошло сразу после Большого взрыва. Заманчиво, не так ли?

Иллюстрация взрыва нейтронной звезды

Всего через несколько секунд после образования протонов и нейтронов, но до того, как они соединились в элементы, началось время. Вселенная быстро остывала. В какой-то момент она остыла настолько, что протоны и нейтроны почти мгновенно соединились с образованием гелия и водорода. Если бы нейтроны распались на протоны немного быстрее или медленнее, это оказало бы огромное влияние на весь процесс мироздания. Во Вселенной был бы совсем другой баланс элементов; вполне вероятно, что самой жизни не было бы вообще.

Ученые надеются получить однозначное число для определения времени жизни нейтрона, чтобы его можно было бы включить в различные уравнения, описывающие Вселенную. Неопределенность продолжительности жизни нейтрона допустима, но когда она менее секунды. Однако добиться уверенности во всего одном числе оказалось сложнее, чем физики предполагали.

Время жизни нейтрона — один из наименее известных фундаментальных параметров Стандартной модели.

Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США (LANL).

Да, конечно, различные индивидуальные эксперименты смогли достичь требуемого уровня точности. Но несоответствие между различными типами экспериментов не позволяет ученым определить конкретное число жизни нейтрона.

Как было обнаружено несоответствие в данных

Обнаружение того, что вообще существует какая-то разница в данных, возникло из-за желания физиков дать ответы на все вопросы о Вселенной. Использование двух или более методов для измерения одного и того же количества — лучший способ гарантировать точное измерение. Но ученые не могут установить таймеры на нейтроны, чтобы увидеть, как быстро они распадаются. Вместо этого они находят способы измерения нейтронов до и после их распада, чтобы рассчитать время их жизни.

И вот в чем основная проблема.

Когда физики вырывают нейтроны из атомных ядер, засовывают их в бутылку и считают, сколько нейтронов останется в ней через какое-то время, они предполагают, что нейтроны испытывают радиоактивный распад в среднем через 14 минут 39 секунд. Но когда другие физики создают лучи нейтронов и подсчитывают количество появляющихся протонов – частиц, являющихся продуктами распада свободных нейтронов – у них получается среднее время жизни порядка 14 минут 48 секунд.

Расхождение между измерениями «бутылки» и «пучка» сохраняется до сих пор.

Расхождения между измерениями в «бутылке» и «луче» существуют с тех пор, когда методы подсчёта времени жизни нейтрона начали давать свои результаты в 1990-х. Сначала все измерения были настолько неточными, что никто не волновался по этому поводу. Но постепенно оба метода улучшались, и всё равно расходились в оценках.

В лучевых экспериментах используются машины, которые создают потоки нейтронов. Ученые измеряют количество нейтронов в определенном объеме пучка. Затем они направляют поток через магнитное поле в ловушку для частиц, образованную электрическим и магнитным полями. Нейтроны распадаются в ловушке, где физики измеряют количество протонов, оставшихся в итоге.

Детектор протонов в Национальном институте стандартов и технологии, используемый в лучевом методе.

Напротив, эксперименты с бутылкой улавливают ультрахолодные нейтроны в контейнере. Ультрахолодные нейтроны движутся намного медленнее, чем обычные — несколько метров в секунду по сравнению с 10 миллионами метров в секунду в результате реакций деления. Ученые измеряют, сколько нейтронов находится в контейнере вначале, а затем снова через определенный период времени. Изучив разницу, они могут вычислить, насколько быстро распадались нейтроны.

Эксперимент в UNCtau в Лос-Аламосе, использующий бутылочный метод для измерения времени жизни нейтронов

«В эксперименте с бутылкой измеряются „выжившие“, в лучевом эксперименте — „мертвые“», — объясняет Грин. «Эксперимент с бутылкой звучит легко, но на самом деле очень труден. С другой стороны, эксперимент с лучами звучит сложно и на деле его проводить также сложно».

Грин и его сотрудники провели новые измерения в 2013 году в NIST, которые помогли им еще точнее пересчитать эксперимент пучка, который они проводили в той же лаборатории в 2005 году. К этому моменту ученые завершили пять экспериментов с бутылкой и два —  с пучками. Грин был убежден, что предыдущие эксперименты с пучком упускали из виду один из самых больших источников неопределенности. А именно — точный подсчет количества нейтронов в пучке. Физики улучшили свои измерения этой переменной, чтобы сделать их в пять раз точнее. Но восемь лет напряженной работы оставил их ни с чем. Точнее, с тем же самым разрывом в результатах.

Ученые, работающие над экспериментами с бутылками, столкнулись со своими трудностями. Одной из самых больших проблем в измерениях было предотвратить потерю нейтронов при взаимодействии с материалом, из которого сделан контейнер. Утечка изменяет количество нейтронов в конце распада и мешает расчетам.

Чтобы решить эту проблему, в последнем эксперименте с бутылкой в ​​LANL, который проводился при поддержке Министерства науки США, были устранены физические стены. Вместо этого физики-ядерщики использовали магнитные поля и гравитацию, чтобы удерживать нейтроны на месте.

«Я был убежден, что если мы сделаем это, мы сможем заставить нейтрон жить дольше и согласиться со временем жизни нейтрона в результате экспериментов с пучком», — заявила Чен-Ю Лю, женщина-профессор Университета Индианы, руководившая экспериментом. «Это было мое личное предубеждение».

Но разница осталась. «Это было для меня большим шоком», — призналась она позже, рассказывая о результатах, опубликованных в 2018 году. Вероятность того, что разница возникнет из-за случайного совпадения, составляет менее одного из 10 000. Но это все же могло быть вызвано ошибкой в ​​экспериментах.

Почему возникает ошибка?

Ученые сталкиваются с двумя типами неопределенностей или ошибок в экспериментах: статистическими или систематическими. Статистические ошибки возникают из-за недостатка данных. Это не позволяет делать твердые выводы. Получение больших данных уменьшает ошибки.

Систематические ошибки являются фундаментальной неопределенностью эксперимента. Кстати, зачастую они неочевидны. Два типа экспериментов по времени жизни нейтронов имеют совершенно разные потенциальные систематические ошибки. Если бы результаты совпадали, эксперименты стали бы отличной проверкой друг друга. Но этого не происходит.

«Самое сложное в измерении времени жизни нейтрона — это то, что оно одновременно слишком короткое и слишком длинное», — заявляет Хугерхайде. «Оказывается, 15 минут — действительно неудобное время для измерения в физике».

Поэтому ученые-ядерщики продолжают работу по сбору дополнительных данных и минимизации систематических ошибок.

По вертикали – время жизни нейтрона в секундах. Красным отмечены результаты опытов с лучами, синим – с бутылками.

«Одна из вещей, которые мне больше всего нравятся в моей области, — это исключительное внимание к необходимым деталям и то, насколько глубоко вы должны понимать каждый аспект вашего эксперимента, чтобы провести надежное измерение», — признается Лия Бруссард, физик-ядерщик из ORNL.

В NIST Хугерхайде, Грин и другие ученые проводят новый эксперимент с пучком, который исследует каждую возможную проблему настолько полно, насколько это вообще возможно. К сожалению, каждая настройка для каждого эксперимента влияет на последующие результаты, поэтому эта работа по системе «два шага вперед — один шаг назад».

Другая работа направлена на поиск новых способов измерения времени жизни нейтрона.

Исследователи из Университета Джона Хопкинса и Даремского университета Великобритании при поддержке Министерства энергетики США выяснили, как использовать данные НАСА для измерения времени жизни нейтрона. Основываясь на нейтронах, исходящих от Венеры и Меркурия, они рассчитали время жизни 780 секунд с погрешностью в 130 секунд. Но, поскольку сбор данных не предназначен для этой цели, неопределенность слишком высока, чтобы определить разницу в сроках службы частицы. Чжаоуэн Танг, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, ставит эксперимент, который представляет собой нечто среднее между экспериментами с бутылкой и пучком. Вместо измерения протонов в конце он будет измерять электроны.

Совершенно новый подход. Но, похоже, все остальные варианты исчерпали себя?

Или нет?

Новые теории. От радикальных идей до научной фантастики

Конечно, всегда есть вероятность, что разница в измерениях указывает прямым текстом на пробел в наших знаниях об этой фундаментальной частице — нейтроне.

 Танг признается, что не собирается бросать эксперименты. «Есть так много примеров людей, которые наблюдали нечто экстраординарное, а потом просто сослались на ошибку, не поработали достаточно усердно… А кто-то другой — поработал, и получил Нобелевскую премию».

Одна из теорий загадки жизни нейтрона заключается в том, что он разрушается так, как ученые просто не знают. Он может распадаться на частицы, отличные от знакомой нам уже комбинации протона, электрона и антинейтрино. Если это так, то это объясняет, почему нейтроны исчезают в экспериментах с бутылками, но соответствующее количество протонов не обнаруживается в экспериментах с пучками.

Другие идеи еще более радикальны.

Некоторые теоретики предполагают, что нейтроны распадаются на гамма-лучи и загадочную темную материю. Темная материя составляет 75% материи во Вселенной, но, насколько известно ученым, взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Чтобы проверить эту теорию, группа ученых из LANL провела версию эксперимента с бутылкой, в котором они измеряли нейтроны и гамма-лучи. Но предложенные гамма-лучи не материализовались, и у ученых не осталось доказательств появления темной материи от нейтронов.

Зеркальная материя — еще одна возможная концепция, которая звучит как научная фантастика. Теоретически «недостающие» нейтроны могут превратиться в зеркальные нейтроны, а именно в точные копии, существующие в противоположной Вселенной. Развиваясь иначе, чем наша Вселенная, эта зеркальная Вселенная была бы намного холоднее и в ней преобладал бы гелий. В то время как некоторые ученые-ядерщики, такие как Грин, думают, что это «неправдоподобно», другие заинтересованы в испытании этой теории, просто «на всякий случай».

«Это относительно неизведанная территория. Для меня это звучит очень привлекательно, потому что у меня „на заднем дворе“ есть отличный источник нейтронов», — заявила Лия Бруссар, имея в виду источник нейтронов расщепления и реактор изотопов с высоким потоком, оба объекта принадлежат Управления науки Министерства энергетики в ORNL.

Слева направо: сотрудники ORNL Мэтью Фрост и Лия Бруссард работают над рефлектометром магнетизма в источнике нейтронов расщепления, который используется для поиска зеркальных нейтронов. Предоставлено: Женевьева Мартин / Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США.

Чтобы проверить эту теорию, Бруссард анализирует данные процесса, который имитирует эксперимент по времени жизни пучка. Однако он настроен так, чтобы уловить признак потенциального невидимого партнера нейтрона. Запустив пучок нейтронов через определенное магнитное поле и затем остановив его материалом, который тормозит нормальные нейтроны, она и ее коллеги, возможно, смогут определить, существуют ли зеркальные нейтроны.

Какие бы результаты ни принес этот эксперимент, работа по выяснению времени жизни нейтрона будет продолжена. «Очень показательно, что существует так много попыток точно измерить время жизни нейтрона. Это говорит о крайне эмоциональной реакции ученых на несоответствие в этой области — „Я хочу, наконец-то, выяснить это!“» — заключает Бруссар. «Каждый ученый мотивирован желанием учиться, желанием понять».

Читать также

На угрожающем Земле астероиде Апофис заметили опасное явление. Что происходит?

Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19

Что обнаружил зонд Parker Solar Probe, подлетевший максимально близко к Солнцу

Загрузка...